صفحه اصلی  »  طراحی عملکردی و بهسازی  »  بررسی روش های طراحی در برابر زلزله و ضرورت اجرای طراحی عملکردی

بررسی روش های طراحی در برابر زلزله و ضرورت اجرای طراحی عملکردی

روش های طراحی در برابر زلزله چیست؟

سال­ هاست در جوامع پیشرفته با توجه به شرایط اقلیمی، نوع خاک، لرزه ­خیزی منطقه و پارامترهای مؤثر دیگر تصمیماتی جهت کنترل ساخت‌ وساز مسکن اتخاذ شده و برای هر منطقه ساخت، مدل­ هایی پیشنهاد و کنترل گردیده است. به‌طورکلی روش­ های طراحی در مقابل بارهای ناشی از زلزله به دو روش مبتنی بر نیرو (تجویزی) و مبتنی بر جابه­ جایی (عملکردی) انجام می­گیرد.

در این مقاله جامع قصد داریم تاریخچه ای از روش های طراحی در برابر زلزله، معایب روش طراحی بر اساس نیرو (تجویزی) و ضرورت طراحی عملکردی سازه را شرح دهیم. با ما همراه باشید.

⌛ آخرین به روز رسانی: 25 اسفند 1400

📕 تغییرات به روز رسانی: انتشار جدید

 

در این مقاله چه می‌آموزیم؟

1. تاریخچه ای کوتاه از طراحی عملکردی

در علم مهندسی سازه و زلزله با ورود و جایگزینی روش طراحی براساس عملکرد به ­جای روش طراحی براساس نیرو، بسیاری از آیین­ نامه­ های طراحی در حال گذر از یک سری تغییرات بنیادی می­باشند و هم­اکنون بسیاری از محققان سازه و زلزله برای رسیدن به تکامل و اطمینان در این روش، تحقیقات خود را در این زمینه متمرکز کرده­ اند. هدف از طراحی لرزه­ ای براساس عملکرد قادر ساختن مهندسان به طراحی سازه­ هایی است که عملکردشان قابل پیش­ بینی باشد، یا در حقیقت هدف وارد کردن کارفرما در انتخاب میزان آسیب­ پذیری ساختمان در سطوح مختلف زمین­ لرزه است. طراحی براساس عملکرد و مباحث مربوط به آن در سال­های اخیر همگام با دیگر کشورهای جهان در ایران نیز مورد استقبال فراوان قرار گرفته و هم­ اکنون کارهای تحقیقاتی بسیاری در این زمینه در حال انجام است.

ازجمله مؤسساتی که عمدتاً در هدایت این تحقیقات سهم عمده­ای داشته ­اند می­توان به انجمن تکنولوژی کاربردی(ATC)، جامعه مهندسان عمران آمریکا (ASCE) و انجمن ایمنی لرزه­ ای ساختمان­ها (BSSC) اشاره کرد که در اولین گام در سال 1996، نتیجه مطالعات خود را در قالب نشریه FEMA-273 و ATC-40 ارائه دادند. در ادامه با رویکرد جدی­تر محققان به این امر، بحث طراحی براساس عملکرد تکامل بیشتری پیدا کرد، به­ گونه ­ای که گزارش­ های FEMA به ­عنوان معیارهای ارزیابی عملکرد ساختمان­ها به­ طور رسمی به­ عنوان پیش ­استاندارد معرفی شدند. به ترتیب FEMA 356 در سال 2000 ارائه شد. نسل بعدی پیش استاندارد FEMA356 تحت عنوان استاندارد ASCE/SEI141-06 از سوی انجمن مهندسین عمران آمریکا در سال 2006 منتشر گردید و از آن تاریخ تحقیقات تکمیلی برای بهبود و به‌روزرسانی آن صورت گرفته است که منجر به ارائه ویرایش­های ASCE/SEI141-13 و ASCE/SEI141-17 شد.

در ایران نیز در زمینه بهسازی لرزه ­ای سازه ­ها، با تلاش پژوهشگاه بین‌المللی زلزله در خرداد ماه سال 1381 دستورالعمل بهسازی لرزه ­ای ساختمان­ های موجود توسط دفتر امور فنی و تدوین معیارها، سازمان مدیریت و برنامه­ ریزی کشور، در اختیار جامعه مهندسان کشور قرار گرفت و در سال 1385 ویرایش دوم آن با عنوان نشریه شماره 360 به‌صورت بخش ­نامه به دستگاه ­های اجرایی، مهندسان مشاور و پیمانکاران و عوامل دیگر در اجرای طرح­ها، الزام شده و همچنین آخرین ویرایش نشریه 360 (تجدیدنظر اول) نیز در سال 1392 به چاپ رسیده است.

 

طراحی عملکردی چیست؟

شکل 1: سیر تکامل آیین­ نامه بهسازی امریکا

 

2. روش ­های طراحی در برابر زلزله

به‌طورکلی روش­ های طراحی در مقابل بارهای ناشی از زلزله به دو روش مبتنی بر نیرو (تجویزی) و مبتنی بر جابه­ جایی (عملکردی) انجام می­گیرد. هم ­اکنون بسیاری از آیین­ نامه­ ها برای طراحی سازه­ ها در برابر زلزله از روش مبتنی بر نیرو استفاده می­کنند. هرچند علم مهندسی زلزله به تدریج در حال جایگزینی روش طراحی عملکردی به‌جای روش قدیمی طراحی براساس نیرو می­باشد. امروزه روش عملکردی بیشتر در حوزه ارزیابی و بهسازی سازه­ های قدیمی  و یا در حال ساخت استفاده شده و به‌عنوان روش اصلی طراحی سازه­ ها مورد استفاده قرار نگرفته است. امید است در آینده­ ای نزدیک شاهد طراحی سازه ­ها به روش عملکردی بوده تا شاهد رفتار مطمئن­ تری از سازه ­ها در مقابل زمین­ لرزه­ ها باشیم.

1.2. طراحی براساس نیرو (روش تجویزی)

روش‌های طراحی سنتی ساختمان‌ها در برابر زلزله از قدیم به‌طور معمول بین مهندسین عمران رواج داشته است. هدف از ایجاد این روش‌ها، طراحی سازه‌ها در برابر زلزله به شکلی ساده و بدون نیاز به انجام محاسبات پیچیده مهندسی بوده است. در مقایسه با روش‌های جدیدی که از چند دهه قبل در مهندسی زلزله مطرح شد، این روش‌ها را می‌توان روش‌های مبتنی بر نیرو نامید؛ زیرا در آن‌ها نیروی مشخصی به‌عنوان نماینده اثر زلزله توأم با بارهای ثقلی به سازه اعمال می‌شود. به عبارتی آیین­ نامه دستورالعمل ­ها و ضوابط معینی برای طراحی سازه مورد در نظر گرفته و مهندس طراح را ملزم به رعایت آن­ها می­کند تا حداقل مقاومت و ایمنی لازم برای سازه ایجاد گردد.

در این روش طراحی، مهندس طراح و کارفرما، اطلاعات چندانی از نحوه عملکرد و میزان خسارت وارده بر سازه در مقابل بارهای ناشی از زلزله ندارند. به بیان ساده­ تر کارفرما هیچ حق انتخابی در مورد عملکرد سازه خود حین وقوع زلزله نداشته و ملزم به رعایت ضوابط آیین­ نامه است. در کشور ما برای طراحی ساختمان­ها در برابر زلزله از استاندارد 2800 استفاده می­شود که روش به کار رفته در آن، مبتنی بر نیرو است.

1.1.2. تاریخچه­ ای از سیر تکامل استاندارد 2800

در ایران تا پیش از سال 1341 یعنی سال وقوع زلزله بویین­ زهرا با بزرگای 7/2 ریشترکه منجر به از دست رفتن جان 12000 نفر از مردم ایران شد، بیشتر ساختمان­ها در ایران به سبک سنتی و بدون هیچ­گونه محاسبات فنی ساخته می­شدند. اما بعد از این واقعه بود که در سال 1343، سازمان برنامه و بودجه وقت، گزارشی را تحت عنوان “آیین­ نامه موقت حفاظت ساختمان­ها در برابر زلزله” منتشر نمود. به دنبال این موضوع، کمیته­ ای در وزارت آبادانی و مسکن تشکیل شد و در سال 1346 جزوه­ای را تحت عنوان “آیین­ نامه ایمنی ساختمان­ها در برابر زلزله” منتشر کرد.

بعد از مدتی، فصل دوم این آیین­نامه که مربوط به بارهای ناشی از زلزله می­شد، به استاندارد ملی ایران به شماره 519 تحت عنوان “حداقل بارهای وارده بر ساختمان­ها” انتقال یافت و این آیین­ نامه ملاک محاسبه ساختمان­ها در برابر زلزله قرار گرفت. سال­ها بعد، کمیته­ ای شامل گروهی از استادان دانشگاه و صاحب­ نظران دیگر در مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن تشکیل شد و اولین ویرایش “آیین­ نامه ساختمان­ها در برابر زلزله” در سال 1366 را منتشر کردند. این آیین ­نامه با همکاری موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران تهیه و شماره 2800 به آن اختصاص داده شد که عملاً به‌عنوان جایگزینی برای استاندارد 519 محسوب گردید.

بعد از زلزله رودبار و منجیل در سال 1369، اهمیت و نقش استاندارد 2800 بیش از پیش مورد توجه عموم قرار گرفت و در ساختمان­هایی که پروانه ساخت از شهرداری اخذ می­کردند، کم و بیش استفاده شد. مدتی بعد ویرایش دوم استاندارد 2800، در سال 1378 انتشار یافت. پس از آن، فعالیت­ هایی برای تدوین ویرایش بعدی آیین­ نامه آغاز و در سال 1384، ویرایش سوم استاندارد 2800 نیز به چاپ رسید. با گذشت چند سال از تصویب و اجرای ویرایش سوم، برنامه بازنگری متن آیین­ نامه برای تدوین ویرایش چهارم آن از سال 1388 آغاز گردید و در سال 1393، ویرایش چهارم استاندارد 2800 در اختیار جامعه مهندسی ایران قرار گرفت. هم­اکنون نیز اساتید دانشگاه و متخصصین این امر در حال به روز رسانی و نگارش ویرایش پنجم استاندارد 2800 هستند تا در آینده­ای نزدیک برای استفاده در اختیار مهندسان عمران قرار گیرد.

2.1.2. تاریخچه­ ای از سیر تکامل استاندارد 2800

روش به کار رفته در استاندارد 2800 ایران، مبتنی بر نیرو است. به این ترتیب که پس از کاهش نیروهای بزرگ خطی به کمک ضریب رفتار تا حد نیروهای واقعی غیرخطی، به کنترل مقاومت و جابه جایی سازه پرداخته می شود. اگر بخواهیم به صورت کلی قوانین حاکم بر استاندارد 2800 بپردازیم بدون شک از قانون دوم نیوتن و قانون فنرهای موازی به‌عنوان استخوان بندی این آیین-نامه یاد می کنیم. به این ترتیب که به کمک قانون دوم نیوتن نیروهای زلزله برآورد شده و با توجه به قانون فنرهای موازی سهم هر المان به نسبت سختی آن المان از نیروی جانبی وارد بر سقف با فرض صلبیت دیافراگم مشخص می شود.

تحلیل مورد استفاده در آیین نامه های طراحی، جهت دستیابی به مقاومت مورد نیاز به کار رفته، تحلیل الاستیک خطی است. می-دانیم که سازه تحت زلزله شدید طرح، از خود رفتار غیرخطی نشان می دهد. دلیل این امر نیز آن است که تعدادی از المان های باربر جانبی سازه پس از گذر از تنش تسلیم وارد ناحیه خمیری شده و به کمک ظرفیت تغییرشکلی خود به تحمل نیرو می پردازند. لذا شیب نمودار کاهش یافته و منجر به یک رفتار غیرخطی از طرف سازه می شود. انجام تحلیل خطی باعث درنظر نگرفتن رفتار غیرخطی سازه حین تحلیل می شود. همان طور که در نمودار پایین مشخص است برای آن که سازه جابه جایی نظیر جابه جایی غیرخطی از خود نشان دهد بایستی ناحیه خطی نمودار غیرخطی سازه تا رسیدن به جابه جایی غیرخطی سازه امتداد یابد. این موضوع سبب می گردد که برش به دست آمده از تحلیل خطی به مراتب از برش به دست آمده از تحلیل غیرخطی بیشتر شود.

 

روش های طراحی در برابر زلزله

شکل 2: مقایسه نتایج تحلیل واقعی غیرخطی و تحلیل خطی غیرواقعی

 

برش پایه از جنس نیرو بوده بنابراین مطابق قانون دوم نیوتن برابر با شتاب سازه در جرم لرزه ای آن است. از طرفی شتاب سازه معمولا از شتاب زمین بزرگ تر است. در نتیجه برای رسیدن به شتاب سازه بایستی شتاب زمین را در یک ضریب بزرگنمایی ضرب نمود. استاندارد 2800، به این ضریب فزاینده شتاب زمین، ضریب بازتاب ساختمان (B) می گوید. به این ترتیب ضریب بازتاب، ضریب تبدیل شتاب سنگ بستر زمین به شتاب سازه است که به نوع خاک لایه های بالایی زمین که در زیر سازه وجود دارد نیز بستگی دارد.

پارامتر (A) به شتاب نسبی مبنای طرح معروف است. مقدار آن براساس آمار زلزله های گذشته در منطقه مورد نظر و انجام تحلیل خطر احتمالاتی زلزله می آید. این پارامتر برای مناطق با لرزه خیزی های مختلف در استاندارد 2800آمده است . به عبارتی پارامتر (A) معادل شتاب زلزله ای است که در سنگ بستر پوسته زمین و در طول عمر مفید سازه (50 سال) با احتمال وقوع کمتر از 10% رخ خواهد داد. به زلزله فوق که دارای دوره بازگشت 475 سال است زلزله طرح اطلاق شده و به زلزله شدید معروف است. با توجه به بند 1-1 استاندراد 2800، سطح عملکرد ساختمان با اهمیت متوسط در برابر این زلزله ایمنی جانی انتخاب شده است. به عبارتی در صورت چنین زلزله ای، خرابی ساختمان ها تا حد حفظ جان ساکنین خواهد بود.

قاعدتاً اهمیت سازه ای مثل بیمارستان یا مراکز آتش نشانی بیشتر از ساختمان های مسکونی بوده و باید برای زلزله های بزرگتری طراحی شود یا در زلزله طرح خسارات خیلی کمتری ببیند. به همین دلیل آیین نامه از ضریبی تحت عنوان ضریب اهمیت ساختمان (I) استفاده می کند. زیرا المان های سازه ای باید برای زلزله بزرگتر از زلزله محتمل طراحی شوند.

V=a×m=AʹB×W/g
Aʹ=A×g

بنابراین برش پایه برابر خواهد بود با:

V=A×g×B×W/g=(ABI)W

در روابط بالا V: برش پایه وارده به سازه، a: شتاب زلزله به صورت ضریبی از شتاب گرانش زمین (g) بیان می شود، A: شتاب نسبی مبنای طرح، ضریب بازتاب ساختمان و W: وزن ساختمان است.

شکل زیر پرش پایه خطی و غیرخطی را نمایش می دهد:

 

طراحی بر اساس عملکرد

شکل 3: افزایش جابجایی خطی معادل تشکیل اولین مفصل پلاستیک تا حد جابجایی غیرخطی واقعی سازه

 

اگر قرار باشد این برش بزرگ غیرواقعی خطی در تعیین پاسخ های مختلف یک المان به کار گرفته شود، مقاومت های مورد نیاز بسیار بزرگ و غیرقابل تصور شده که نمی توان آن را با مقاومت اسمی و نهایی به کار رفته در روش های طراحی LRFD مقایسه نمود. در صورت طراحی المان های لرزه بر به کمک این میزان از برش، المان های سازه بسیار بزرگ خواهد شده و فاقد رفتار شکل-پذیری در برابر زلزله طرح می گردند.

با چنین وضعیتی عملاً سازه به کمک معیار مقاومت نیروی زلزله را تحمل نموده و در طی ارتعاشات شدید زمین لرزه از خود رفتاری خطی نشان می دهد که سبب غیراقتصادی شدن طرح خواهد شد. لذا جهت اقتصادی شدن طرح و استفاده از خاصیت تغییرشکلی مصالح و المان های لرزه بر بایستی مقاومت مورد نیاز به دست آمده از روش خطی، در حد یک تحلیل غیرخطی کاهش یافته تا به واقعیت نزدیک شود.

برش پایه موجود در استاندارد 2800 ویرایش چهارم، مقدار نیروی نظیر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه (Vs) است که مبنای طراحی سازه قرار می گیرد. نسبت برش پایه غیرواقعی خطی به برش پایه نظیر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه را ضریب رفتار ساختمان (Ru) می گویند.

 

Ru=VLinear/VS ≫1.0 → VS = VLinear / Ru =(ABI/ Ru)W

 

بنابراین با انجام تحلیل خطی به کمک ضریب رفتار، نیروها را باید تا حد تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه کاهش داد. به عبارتی نتایج تحلیل استاتیکی خطی به کمک این فلسفه مبتنی بر نیرو معادل با نتایج ورود سازه به ابتدای ناحیه غیرخطی خود است. لذا استاندارد 2800 از آن به عنوان تحلیل استاتیکی معادل یاد می کند. پس از دستیابی به نیروهای معادل تحلیل غیرخطی به کمک ضریب رفتار و انجام تحلیل خطی بایستی آن را با ظرفیت مقطع مقایسه نمود. مسلماً در این مقایسه بایستی دو طرف نامساوی از یک جنس باشند. به عبارتی اگر نیروی موجود از نوع فشاری بوده بایستی ظرفیت مقطع نیز به صورت فشاری محاسبه گردد.

 

γQ≤φRn

 

در این رابطه Rn، ظرفیت مقاطع برحسب نوع نیروی وارد شده، φ: ضریب کاهش مقاومت، Q: بیشینه پاسخ از میان پاسخ های مختلف ترکیب  بارهای مختلف در طول المان و γ: ضریب افزایش بار به کار رفته در ترکیب  بارهای طراحی می‌باشند.

مطابق شکل (3) کاهش نیروی برشی خطی در حد تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه سبب می شود تا روی خط امتداد ناحیه خطی به عقب بازگشته که این مسئله باعث کاهش تغییرمکان سازه از یک تغییرمکان غیرخطی واقعی به تغییرمکان خطی کوچک غیرواقعی می شود. در روش مبتنی بر نیرو در انتها بایستی جابه جایی طبقات کنترل شوند.

به این ترتیب که مقدار جابه جایی نظیر برش پایه تحلیل استاتیکی معادل (eu∆) که به طور غیرمستقیم به واسطه ضریب رفتار سازه از واقعیت فاصله گرفته و از مقدار کاسته شده، باید از مقدار مجاز جابه جایی غیرخطی واقعی سازه (a∆) کمتر باشد. مشخص است تا زمانی که مقدار (eu∆) به کمک ضریب بزرگنمایی تغییرشکل تا حد یک جابه جایی غیرخطی (M∆) افزایش نیابد این مقایسه اعتباری نخواهد داشت. به همین دلیل استاندارد 2800، از ضریب بزرگنمایی جابه جایی (Cd) استفاده می کند.

در اینجا دقت داشته باشید که استاندارد 2800 برای کنترل جابه جایی طبقات ساختمان های تا 5 طبقه از ضریب 0.025 و برای سایر ساختمان ها از ضریب 0.02 ارتفاع طبقه استفاده می کند. همچنین استاندارد 2800 در محاسبه M∆، اثر P-Δ را لحاظ می-کند.

به نسبت تغییرمکان جانبی نسبی طبقه به ارتفاع طبقه، دریفت طبقه می گویند. دریفت طبقه همان جابه جایی جانبی نسبی بدون بعد طبقه است.

منظور از تغییرمکان نسبی طبقه، تغییرمکان جانبی یک سقف نسبت به سقف زیرین آن است.

نحوه تعیین نیروی جانبی طبقات ناشی از برش پایه که در واقع نیروی وارد بر ترازهای دیافراگم هر سقف است به کمک رابطه توزیع وزنی تعیین می گردد، که به صورت زیر است:

در این رابطه Vu: برش پایه ناشی از زلزله، Wi: وطبقه iام و قسمتی از سربار، hi: ارتفاع تراز طبقه i از تراز پایه، n: تعداد طبقات و Fui : نیروی جانبی در تراز طبقه i است.

ضریب k با توجه به زمان تناوب اصلی (T) ساختمان از رابطه زیر تعیین می شود:

 

نیروی به دست آمده یک برآیند بوده که تحت هر شرایط از مرکز جرم دیافراگم سقف عبور می کند. در صورتی که مرکز جرم بر مرکز سختی سقف منطبق باشد، هر المان به نسبت سختی خود از نیروی وارده سهم می برد (قانون فنرهای موازی).

 

 

 

در این رابطه Pi: نیروی هر المان باربر جانبی (ستون یا دیوار برشی)، Ki: سختی جانبی عضو بار جانبی، k∑: مجموع سختی اعضای باربر جانبی طبقه و Fui : نیروی جانبی در تراز طبقه i است.در صورت منطبق نبودن مراکز جرم و سختی، علاوه بر برش طبقه، در دیافراگم پیچش به وجود آمده و هرچه المان از مرکز سختی دورتر باشد نیروی بیشتری از پیچش را تحمل خواهد کرد. استاندارد 2800، لنگر پیچشی را از رابطه زیر محاسبه می کند:

 

 

 

در این رابطه Mui: لنگر پیچشی طبقه iام، eij: فاصله افقی مرکز جرم طبقه jام از مرکز سختی طبقه iام، eaj: برون مرکزی اتفاقی طبقه jام است.
در پایان به کمک اصل جمع آثار قوا به کمک رابطه زیر مقاومت مورد نیاز هر المان به کمک برش پایه و لنگر پیچشی طبقه محاسبه می شود.

 

 

 

 

در این رابطه

FUxi و FUyi: سهم عنصر باربر از نیروی افقی زلزله در هر یک از راستاهای x و y

Kxi و Kyi : سختی برشی عناصر باربر قرار گرفته در دو راستای x و y

  است x و y که برابر مجموع سختی های عناصر باربر جانبی قرار گرفته در دو راستای x و y  سختی طبقه در دو راستای:∑kxi yi2 و ∑kyi xi2

Vujx  و Vujy : برش های طبقه ی jام در دو راستای x و y

Muj: لنگر پیچشی طبقه jام

xi و yi: فاصله افقی عنصر باربر طبقه iام در دو راستای x و y

تا اینجای مقاله روش تحلیل به روش نیرو شرح داده شد. در بخش 3.2 بعد روش طراحی عملکردی توضیح داده خواهد شد.

2.2. ضرورت طراحی عملکردی

در روش طراحی سازه ها عموما از سختی و مقاومت اولیه سازه ها و اجزای آن برای تحلیل و طراحی استفاده می شود. این روش ما هیچ گونه درکی از رفتار سازه پس از تشکیل مفاصل پلاستیک و باز توزیع نیروها و روند خرابی سازه تحت بارهای وارده (خصوصا بارهای لرزه ای) نداریم. از طرفی کاهش سطح نیروهای الاستیک ناشی از زلزله به وسیله ضریب کاهش نیرو (ضریب R) و اعمال نیروهای به دست آمده به سازه، باعث تغییرمکان هایی می شود. در آیین ها تغییرمکان به دست آمده توسط ضریبی افزایش داده می شود تا تغییرمکان جانبی غیرخطی سازه به دست آید. تغییرمکان های نهایی به دست آمده با این روش به دلیل نداشتن ارتباط منطقی در مقایسه با تغییرمکان های غیرالاستیک واقعی سازه، اعتبار چندانی ندارد.

علاوه بر نکات گفته شده، تعیین ظرفیت سازه به روش مقاومت در بسیاری موارد منطقی به نظر نمی رسد. زیرا بیان رفتار اجزای سازه ای از طریق پارامترهای مقاومت کافی و قانع کننده نبوده و کوچکترین دیدی از رفتار واقعی فرا ارتجاعی سازه به طراح نمی-دهد.

همان طور که در روش طراحی برمبنای مقاومت گفته شد، برش پایه ناشی از تحریک زمین از رابطه V=CW به دست می آید. برش پایه حاصله از طریق الگوی بارگذاری در کل ارتفاع ساختمان توزیع شده تا نیروی وارده بر هر تراز ساختمان محاسبه شود.

با تحلیل ساختمان برابر این بارهای جانبی، مقاومت مورد نیاز اجزای سازنده تعیین می شود. در رابطه V=CW، ضریب C به-صورت ABI/R است. ضریب I، ضریب اهمیت ساختمان بوده و با توجه به اهمیت سازه مقدار آن افزایش می یابد. حاصل ضرب ضرایب A و B طیف پاسخ طرح نام دارد. شکل عمومی طیف طرح به صورت زیر است.

 

ضرورت طراحی عملکردی

شکل 4: شکل عمومی طیف طرح شتاب زلزله

 

شکل زیر میزان انطباق طیف پاسخ رکورد زلزله بم ثبت شده در ایستگاه بم و زلزله طبس در ایستگاه دیهوک (هر دو ایستگاه دارای خاک نوع 2 هستند) را با طیف خاک نوع 2 استاندارد 2800 نشان می­دهد. با توجه به شکل دیده می­شود که شکل طیف­ های پاسخ ثبت شده با طیف طرح (AB) استاندارد 2800 انحراف قابل توجهی داشته و هم­خوانی ندارد.

طراحی عملکردی سازه ها

شکل 5: مقایسه طیف­ های پاسخ زلزله بم و طبس با طیف طرح استاندارد 2800

 

پارامتر دیگری که در تحلیل­ های لرزه ­ای مؤثر است، ضریب رفتار سازه می­باشد. ضریب R که ضریب رفتار نام دارد، برای بیان قابلیت تغییرشکل غیرخطی سیستم سازه­ای و شکل ­پذیری آن بیان می­شود. ضریب R بر پایه “قانون تساوی جابه­ جایی­ ها” محاسبه می­شود. مفهوم جابه ­جایی معادل براساس تقسیم نیروی الاستیک به ضریب رفتار بوده و از مهم­ترین مفاهیم در مهندسی زلزله است.

مفهوم تساوی جابه ­جایی­ ها: جابه­ جایی یک سیستم غیرالاستیک با سختی K و مقاومت تسلیم Fy تحت تحریک مشخص زمین تقریبا برابر است با جابه­ جایی همان سیستم با فرض رفتار الاستیک.

 

ضرورت اجرای طراحی عملکردی سازه ها

شکل 6: مفهوم تساوی جابه جایی ها

 

با توجه به مفهوم تساوی جابه ­جایی­ ها، فرض می­شود جابه­ جایی سیستم از مقاومت تسلیم مستقل بوده و در حالت آیده­ آل تحت تحلیل دینامیکی غیرخطی با مقادیر مختلف مقاومت تسلیم، تغییرمکان­ های نهایی غیرارتجاعی با یکدیگر برابر است.

 

تاریخچه طراحی عملکردی

شکل 7: قانون تساوی جابه جایی ها

 

ملاحظه می­شود که هرچه مقاومت تسلیم کمتر باشد، باید شکل­پذیری سازه بیشتر باشد. مفهوم تساوی جابه­ جایی­ ها، به ما امکان می­دهد تا برای پیش­ بینی جابه ­جایی­ های غیرالاستیک از تحلیل الاستیک استفاده کنیم به­ طوری­که برش پایه الاستیک و برش پایه طرح برای پاسخ غیرارتجاعی در جابه­ جایی یکسان اندازه­ گیری می­شود.

در بخش قبل گفتیم که آیین ­نامه 2800 با استفاده از ضریب R (ضریب رفتار) به ­جای تحلیل و طراحی سازه برای برش الاستیک، مقدار برش الاستیک را کاهش داده و سازه را برای برش پایه کمتری طراحی می­کند. در عوض از خاصیت تغییرشکل سازه برای رسیدن به جابه­ جایی معادل با جابه­ جایی الاستیک و اتلاف انرژی نیروی زلزله استفاده می­کند و همچنین گفتیم که بر اساس ایده تساوی جابه­ جایی­ ها بدون وابستگی به مقاومت مانند شکل بالا، مقدار جابه­ جایی بیشینه سیستم­ های غیرخطی با یکدیگر برابر است. در واقعیت، مقدار جابه­ جایی بیشینه در مقاومت­ های مختلف با یکدیگر تفاوت دارد.

 

روش های طراحی و مقاومسازی در برابر زلزله

شکل 8: ایده تساوی جابه جایی ها در واقعیت

 

قانون تساوی جابه­ جایی­ ها ارتباط تنگاتنگی با دوره تناوب سازه، میزان شکل­ پذیری و ضریب اضافه مقاومت سازه دارد. درحالی­که در آیین­ نامه ­ها ضریب R تنها تابعی از سیستم سازه­ای است. بنابراین تحلیل و بررسی رفتار غیرخطی سازه­ ها که در آن تغییرشکل­ های غیرالاستیک حاکم است، با استفاده از یک ضریب کاهش مقاومت (R) به­ صورت یک مسئله الاستیک قابل اعتماد نیست. مقدار ضریب رفتار به عوامل بسیاری از جمله منظم یا نامنظم بودن سازه در پلان و ارتفاع، میرایی، زمان تناوب سازه، ارتفاع سازه، محتوای فرکانسی رکورد زلزله، مدت دوام زلزله، PGA زلزله و… بستگی دارد.

به همین دلیل استفاده تنها از یک ضریب (R) برای بیان رفتار غیرخطی سازه سبب می­شود که اثرات عوامل بیان شده منظور نشده و در تحلیل و طراحی سازه از آن­ها چشم­ پوشی شود. در نتیجه استفاده از یک روش تحلیل خطی درک مناسبی از رفتار غیرالاستیک سازه، باز توزیع نیروها و روند خرابی آن پس از جاری شدن نقاطی از سازه به طراح نمی­دهد. همچنین نحوه توزیع نیروی جانبی زلزله در ارتفاع ساختمان تنها به ارتفاع وزن طبقه و ارتفاع تراز طبقه از تراز پایه دارد، درحالی­که انواع نامنظمی­ های ساختمان در ارتفاع در این توزیع در نظر گرفته نشده است. از طرفی این توزیع بار جانبی در ارتفاع تنها مود اول سازه را در نظر گرفته و آثار مودهای بالاتر در نظر گرفته نمی­شود.

پارامتر مؤثر دیگر، اثر ساختگاه بوده که به نوع خاک محل احداث سازه بستگی دارد. امواج زلزله با دور شدن از کانون زلزله و گذشتن از لایه ­های مختلف خاک، تحت تغییر و تحولاتی در محتوای فرکانسی قرار می­گیرند. عوامل مرتبط به فاصله سازه از کانون زلزله تحت عنوان “تأثیر مسیر” و عوامل مربوط به لایه­ های خاک واقع بر بستر سنگی پوسته زمین تحت عنوان “اثر ساختگاه” شناخته می­شود. اثرات ساختگاه به ­صورت تغییر محتوای فرکانسی و تشدید دامنه امواج زلزله خودنمایی می­کند. این تغییرات در خصوصیات امواج زلزله و پاسخ سازه به تحریکات زمین تأثیر مستقیم دارد.

به بیان دیگر در هنگام وقوع زمین­لرزه، انرژی انباشته شده در زیر بستر سنگی زمین در ناحیه کانونی زلزله به شکل امواج لرزه ­ای آزاد می­شود. لایه ­های خاک به دلیل گوناگونی در ضخامت و ناپیوستگی لایه ­ها، شکل توپوگرافی، خصوصیات فیزیکی، دینامیکی و مکانیکی دارای پاسخ­ های متفاوتی به امواج زلزله هستند. نتیجه می­شود که در یک زلزله خاص، به­ دلیل تنوع خاک یک منطقه ممکن است خرابی گسترده­ای در بعضی نواحی و خرابی­ های جزئی در دیگر مناطق به ­وجود آید. این موضوع بر اهمیت اثرات محلی ساختگاه دلالت دارد. بنابراین لحاظ کردن اثرات ساختگاه از طریق ضرایب خاک در آیین­ نامه­ ها نمی­تواند تخمین واقعی از اثر ساختگاه بر سازه را بیان نماید.

3.2. طراحی به روش عملکردی

همان‌طور که اشاره شد روش‌های طراحی لرزه‌ای مرسوم (مبتنی بر نیرو) با ساده‌سازی یک رفتار پیچیده، امکان وارد کردن سازه به قلمرو غیرخطی را برای عموم مهندسین حتی بدون انجام تحلیل‌های پیچیده و استفاده از ابزارهای محاسباتی پیشرفته فراهم می‌کردند. روش‌های طراحی بر اساس عملکرد با شناسایی سطوح متفاوت از زلزله، توجه خود را به عملکرد سازه در زمان زلزله و پس از آن معطوف می‌دارد. هدف کلی در این روش‌ها کاهش آسیب‌های وارده به اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای از طریق تقسیم‌بندی سطوح مختلف برای عملکرد اجزای سازه تحت سطوح متفاوت از زلزله ورودی است. در این روش‌ها رسیدن به یک رفتار مطلوب از سازه، به‌عنوان عملکرد مورد انتظار مطرح شده است.

به‌عنوان مثال بر اساس یکی از عملکردهای مفروض، انتظار می‌رود که سازه در مواجهه با سطح خاصی از زلزله طوری رفتار کند که با جلوگیری از فروریزش کلی، جان ساکنین حفظ شود.

به زبان ساده هدف از طراحی یا بهسازی لرزه ای ساختمان این است که اعضای سازه ای و غیرسازه ای به گونه ای طراحی یا تقویت شوند که در صورت وقوع زلزله، آسیب های کمتری به این اجزا وارد شود. آیین نامه های FEMA، ASCE و ATC با توجه به اهمیت ساختمان و کارایی آن بعد از زلزله، آسیب های احتمالی را تقسیم بندی و سطوح بهسازی را بر این اساس تعریف کرده اند. این آیین نامه ها کل ساختمان را به دو گروه اجزای سازه ای و اجزای غیرسازه ای تقسیم بندی کرده و برای هرکدام از اجزای سازه ای و غیرسازه ای یک سری معیارها از سطح کارکرد کامل تا خرابی های زیاد برای یک زلزله با دوره بازگشت معین درنظر گرفته  است. به عنوان مثال برای ساختمان هایی که بعد از زلزله باید سرویس دهی خود را کاملاً حفظ کنند بالاترین سطح عملکرد را تعریف کرده-اند.

در بالاترین سطح عملکرد، اجزای سازه ای و غیرسازه ای نباید دچار خسارت و خرابی شوند یا اگر احتمالاً خرابی در این اجزا به وجود آید، بتوان آن ها را سریعاً به قابلیت سرویس دهی کامل رساند. در پایین ترین سطح عملکرد، اجزای سازه ای می توانند به حد گسیختگی برسند و تغییرشکل های ماندگار در سازه به وجود آید و اجزای غیرسازه ای نیز دیگر کارایی نداشته باشند ولی اسکلت سازه باید حفظ شود، به گونه ای که افراد بتوانند از ساختمان خارج شوند و خسارات جانی به بار نیاید. بقیه سطوح معرفی شده توسط آیین نامه نیز بین این دو سطح عملکرد قرار دارد.

با توجه به نظر کارفرما و انتظاراتی که از عملکرد ساختمان بعد از زلزله می رود، برای مهندس طراح یا بهساز مشخص می شود که به عنوان مثال اجزای سازه-ای و غیرسازه ای باید تا چه حد دچار خرابی شوند و تا چه حد کارایی خود را حفظ کنند. طراحی و بهسازی در ASCE/SEI و FEMA و دستورالعمل بهسازی، بر مبنای سطوح عملکرد است، ولی طراحی برمبنای سطوح عملکردی روشی جدید است که هنوز بسیاری با آن آشنا نیستند. به همین دلیل لازم است برای انتخاب مناسب هدف بهسازی یا طراحی، طراح آشنایی کامل با سطوح مختلف عملکرد ساختمان داشته باشد و کارفرما را با این مبانی آشنا کند و در هماهنگی با مالک ساختمان سطح عملکرد موردنظر را انتخاب کند. در ادامه به‌تفصیل با سطوح عملکرد آشنا می شویم.

قبل از انجام هر کاری در طراحی یا بهسازی عملکردی باید هدف از طراحی یا بهسازی مشخص نمود. فرض کنید بخواهید دو ساختمان با دو کاربری متفاوت را بهسازی کنید. ساختمان اول دارای کاربری مسکونی و ساختمان دوم دارای کاربری بیمارستان است. سؤالی که در ابتدا به ذهن می آید این است که انتظار چه میزان خرابی در برابر زلزله ای با چه قدرتی را خواهید داشت؟

 

هدف بهسازی یا طراحی

شکل 9: طرح و بهسازی به روش عملکردی

 

با توجه به مطالب گفته‌شده، از این روش هم برای طراحی و هم برای بهسازی سازه های از قبل ساخته شده می‌توان استفاده کرد. در حالتی که بخواهیم سازه-ای را بهسازی کنیم ابتدا اطلاعات مربوط به سیستم سازه ای، پیکربندی، ابعاد اعضا و نوع جزئیات اتصالات و اجزای غیرسازه ای که در هنگام وقوع زلزله در ایجاد نیروها و تغییرمکان های اعضای سازه ای مؤثر هستند، هم چنین اطلاعات مشخصات مصالح، ساختگاه و ساختمان های مجاور باید جمع‌آوری شود و بازرسی از محل به‌منظور تأیید مدارک و نقشه های موجود انجام پذیرد. سپس با استفاده از مدارک و اطلاعات جمع‌آوری‌شده و انتخاب سطح خطر و عملکرد، اقدام به تحلیل و آنالیز سازه شده و سطح عملکرد سازه توسط نرم افزار کنترل می شود. در انتها با توجه به روش مدنظر اجرای بهسازی سازه انجام می شود. در مورد سطح خطر، سطوح عملکرد و انواع بهسازی سازه در ادامه مقاله به‌تفصیل توضیح داده خواهد شد.

اگر بخواهیم ساختمان را از همان ابتدا براساس عملکرد موردنظر طراحی کنیم، ابتدا ساختمان را براساس آیین نامه های بارگذاری و طراحی انتخاب‌شده به طور کامل طراحی می کنیم و سپس ساختمان را بر اساس سطح عملکردی موردنظر کنترل می کنیم. اگر بعضی از اعضای ساختمان جوابگوی سطح عملکردی موردنظر نبودند، عملیات تحلیل و طراحی را انجام می دهیم تا احتمالاً افزایش ابعاد چند عضو باعث افزایش نیروهای طراحی در اعضای دیگر سازه نشده باشند.

پس از همگرایی این دو مرحله می توان گفت سازه موردنظر براساس سطح عملکردی موردنظر طراحی شده است. مزیتی که این روش طراحی نسبت به روش های مبتنی بر نیرو یا حتی سازه بهسازی شده دارد، این است که با توجه به این که هندسه سازه، مشخصات سازه ای و مصالح به کار رفته و … توسط طراح انتخاب می شود، می توان انتظار داشت ساختمان طراحی شده براساس سطح عملکرد، در حد قابل اطمینان تری سطح عملکرد موردنظر را برآورده کند.

✅ برای آشنایی با سطوح خطر و سطوح عملکرد سازه می­توانید به مقاله سطوح عملکرد سازه ­ای مراجعه کنید.

نتیجه گیری

همان­طور که اشاره شد، روش‌های طراحی لرزه‌ای معمول با ساده سازی یک رفتار پیچیده و دارای جزئیات فراوان، امکان وارد کردن سازه به قلمرو غیرخطی را برای عموم مهندسین حتی بدون انجام تحلیل‌های پیچیده و استفاده از ابزارهای محاسباتی پیشرفته فراهم می‌کردند. روش‌های مبتنی بر عملکرد با شناسایی سطوح متفاوت از زلزله، توجه خود را به عملکرد سازه در زمان زلزله و پس از آن معطوف می‌دارد.

هدف کلی در این روش‌ها کاهش آسیب‌های وارده به اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای از طریق تقسیم‌بندی سطوح مختلف برای عملکرد اجزای سازه تحت سطوح متفاوت از زلزله ورودی است. در این روش‌ها رسیدن به یک رفتار مطلوب از سازه، به‌عنوان عملکرد مورد انتظار مطرح شده است.

 

پیوست 1

سطوح عملکرد و خرابی پیش ­بینی شده اعضای سازه ­ای

سطوح عملکرد و خرابی پیش­ بینی شده اعضای سازه ­ای در نشریه 361

سطوح عملکرد و خرابی پیش ­بینی شده اعضای سازه ­ای

سطح عملکرد و خرابی پیش بینی شده برای اعضای قائم سازه ای

سطح عملکرد ساختمان

سطح عملکرد و خرابی پیش بینی شده برای اعضای افقی سازه ای

سطوح عملکردی و پیش­ بینی خرابی اعضای سازه ­ای در ASCE/SEI 41-17

 

سطوح عملکردی و پیش­ بینی خرابی اعضای سازه ­ای در ASCE/SEI 41-17

سطوح عملکردی و پیش­ بینی خرابی اعضای سازه ­ای

سطوح عملکردی

 

پیوست 2

سطح عملکرد و پیش ­بینی خرابی اجزای غیرسازه ­ای

سطوح عملکرد و خرابی پیش ­بینی شده اجزای غیرسازه ­ای در نشریه 361

 

سطح عملکرد و پیش ­بینی خرابی اجزای غیرسازه ­ای

طراحی سازه ها بر اساس عملکرد

 

سطوح عملکرد و خرابی پیش­ بینی شده اجزای غیرسازه ­ای ASCE/SEI 41-17

 

روش های طراحی سازه در برابر زلزله

 

 

منابع

  1. دستورالعمل بهسازی لرزه ­ای ساختمان­ های موجود، نشریه شماره 360، 1392
  2. تفسیر دستورالعمل بهسازی لرزه ­ای ساختمان­ های موجود شماره 361، 1392
  3. آیین­ نامه طراحی ساختمان­ ها در برابر زلزله، استاندارد 2800، ویرایش چهارم
  4. تفسیر دستورالعمل بهسازی لرزه­ ای ویرایش 1392، شایان پاک نیت
  5. Federal Emergency Management Agency (FEMA), 2000, Prestandard and Commentary for the Rehabilitation of Buildings, FEMA-356.
  6. ASCE – American Society of Civil Engineers, ASCE/SEI 41-17. Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings, American Society of Civil Engineers.

 

خرید لينک هاي دانلود

با عضویت بدون وارد کردن اطلاعات رایگان دریافت کنید.

دانلود و ذخیره فقط همین آموزش ( + عضو شوید و یا وارد شوید !)

دانلود سریع و رایگان

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 37,298 نفر

تفاوت خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه‌ها، نوآورانه و بروز بودن آن است. فقط تخفیف‌ها، جشنواره‌ها، تازه‌ترین‌های آموزشی و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیلتان ارسال می‌کنیم.

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل‌های تبلیغاتی متنفریم و خاطر شما را نخواهیم آزرد!

تولید کنندگان آموزش
با ارسال اولین دیدگاه، به بهبود این محتوا کمک کنید.
فرصت فوق‌العاده افزایش درآمد 3 برابری با مدرسین حرفه‌ای و باتجربه 

 تا 50% تخفیف ویژه 
دریافت تخفیف >> 
close-image
question